侧限约束条件下的砂土液化机理试验研究及其理论分析

In recent years, earthquake event occured very frequently in whole world. As a major form of earthquake disasters, sand liquefaction often cause uneven settlement of foundation that followed with damage of buildings, which would bring severe disaster and personel casualty. The New Zealand M6.3 earthquake, which occrred in 2011, led extensive liquefaction of soil to occur. Therefore, people realize that mechanism of soil liquefaction is very complicated and there still are many aspects need to be studied. There have been many fruits gained by using conventional dynamic triaxial or dynamic torsional shear experiments, but these results can not explain the actual liquefaction phenomenon. .In this project, by using advanced geotechnical test, theoretical analysis and numerical calculation techniques, soil liquefaction behavior under lateral confinement will be studied, considering the effects of initial stress state and stress redistribution on soil dynamic characteristics. Then, a new model of pore water pressure will be proposed. Finally, with the new model of pore water pressure, based on analysis to a large number of experimental phenomenon and laws, seismic performance of underground structure in liquefied sites will be evaluated by finite element method.

近些年全球范围内频繁发生地震，砂土液化现象作为地震灾害的一种主要形式，常常会引起建筑物基础的不均匀沉降及结构的破坏，造成严重灾害和人员伤亡，给人类带来巨大灾难，尤其是2011年2月发生的新西兰6.3级地震造成了罕见的大面积液化，使人们重新认识到土体液化问题的复杂性和深入研究的必要性。关于土体液化问题在室内一般采用常规动态三轴或动态扭剪等实验手段，但其结果往往无法解释实际液化现象。主要原因在于室内试验土单元的应力状态和实际土体应力状态并不一致。.本项研究拟联合运用先进土工试验、理论分析与数值计算等技术手段，以利用室内小尺寸单元试验探讨土体在侧限条件下的液化特性为主线，研究土体初始应力状态和应力重分布对动力特性的影响，包括研究新的孔隙水压力模型等；在此基础上，发展适合描述侧限约束条件下的土体应力应变关系的弹塑性本构模型，最后借助有限元计算方法评价液化场地地下结构抗震性能。

地基液化是工程结构地震破坏的重要原因之一。1964年日本新泻地震和美国的阿拉斯加地震中发生了大量的场地液化引起的砂沸、地基承载力丧失、不均匀沉陷、边坡流滑等灾难性的破坏。此后地震液化问题广泛引起学术界和工程界的重视，学者们针对砂土液化开展了大量的研究工作。室内试验是饱和砂土液化研究不可或缺的手段，也是揭示地震液化机理的重要手段。除大型振动台和离心振动台试验外，国内外很多学者也利用动单剪仪、动三轴仪、动扭剪仪及竖向-扭剪耦合剪切仪开展了大量的试验研究，探讨了其液化机理、孔隙水压力发展模式、抗液化强度及其影响因素等，并将室内试验得到的孔隙水压力计算公式、抗液化强度等结果直接用于实际场地液化评价中。而已有常规动三轴、动扭剪试验研究表明，非均等固结条件下饱和砂土的液化状态、极限孔压与固结比、循环动载幅值相关，小幅循环动载作用下常不能实现土体液化过程模拟，这与某些实际场地在小幅动载作用下产生的土体液化情况不符，也为土体抗液化能力和孔压增长评价带来了不确定性。.本项目在临界状态土力学框架下，分析了常规试验中非均等固结条件下饱和砂土液化状态与固结比、循环动态幅值的关系，并通过试验验证了其正确性。结合实际场地土体的受力状态和液化过程分析，提出了非均等固结条件下饱和砂土液化试验的变围压控制方法，对比分析了常规动三轴、动扭剪和变围压土体液化试验揭示的不同液化过程机理，提出了“持续液化”的概念，并与常规试验中的“瞬时液化”情况进行了比较。在此基础上，针对非均等固结条件下饱和砂土液化试验的孔隙水压力增长特征，建议了基于统一液化定义的孔隙水压力增长模型确定思路。